(57)【要約】圧電素子使用装置１０は、積層型圧電素子２０と被駆動子３０とを備える。積層型圧電素子２０は、第１内部電極層２２と第２内部電極層２３とに挟まれた圧電層２１を積層してなる活性部ＫＳと、その活性部ＫＳに積層された第１端部圧電層２６からなる不活性部（第１端面不活性部）ＴＦ１とを含む。第１端部圧電層２６の上面２０ａには被駆動子３０が接着剤Ｓにより接合される。不活性部ＴＦ１の空孔率が活性部ＫＳの空孔率よりも大きくなるように、圧電層２１と第１端部圧電層２６とが形成される。この結果、第１端部圧電層２６の上面２０ａに多数の開気孔が存在するので、接着剤Ｓがその開気孔に浸入し、被駆動子３０と上面２０ａとを強固に接着する。これにより、圧電素子使用装置１０を落下させたときに生じる衝撃に対して破損し難い圧電素子使用装置１０が提供される。
2011122416.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の圧電層と複数の内部電極層とを備えるとともに前記複数の圧電層のそれぞれと前記複数の内部電極層のそれぞれとが同圧電層の層面に直交する積層方向において交互に積層された積層体であって、前記複数の圧電層のそれぞれが前記複数の内部電極層のうちの互いに対向する一対の内部電極層の間に挟まれた部分からなる活性部と、前記活性部の前記積層方向の少なくとも一方の端部に配設され且つ前記内部電極層に挟まれていない単一又は複数の圧電層からなる不活性部と、を有する積層型圧電素子、及び、
前記不活性部の露呈面に接着剤により接合された被駆動子、
を備えた圧電素子使用装置において、
前記不活性部の露呈面のうちの少なくとも前記被駆動子が接合される部分である接合面から所定の厚み範囲内に存在する前記不活性部の部分の空孔率である不活性部空孔率が前記活性部を構成する圧電層の空孔率である活性部空孔率よりも大きいことを特徴とする圧電素子使用装置。
【請求項２】
請求項１に記載の圧電素子使用装置において、
前記接合面は平面研磨が施された面であり、前記不活性部内に形成された空孔の一部が前記平面研磨により開気孔として露呈されている面であることを特徴とする圧電素子使用装置。
【請求項３】
請求項２に記載の圧電素子使用装置において、
前記開気孔は、
前記接合面と直交する平面により前記圧電素子使用装置を切断した場合、前記接合面内における前記開気孔の長さＤ１が前記接合面と平行な面であって前記接合面から離間した位置における面内における同開気孔の長さＤ２の最大値Ｄ２ｍａｘよりも小さい形状を有することを特徴とする圧電素子使用装置。
【請求項４】
請求項２又は請求項３に記載の圧電素子使用装置において、
前記開気孔は、
前記接合面内における前記開気孔の面積Ｓ１が前記接合面と平行な面であって前記接合面から離間した位置における面内における同開気孔の面積Ｓ２の最大値Ｓ２ｍａｘよりも小さい形状を有することを特徴とする圧電素子使用装置。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４の何れか一項に記載の圧電素子使用装置において、
前記活性部空孔率が１％以下であり、前記不活性部空孔率が０．８％以上であり、更に、前記不活性部空孔率から前記活性部空孔率を減じた値である空孔率差が０．２％以上且つ２％以下であることを特徴とする圧電素子使用装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、積層型圧電素子と、その積層型圧電素子により駆動される被駆動子と、を備える圧電素子使用装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から知られる圧電素子使用装置は、図１２に示したように、積層型圧電素子１００と、積層型圧電素子１００により駆動される被駆動子２００と、を備えている。被駆動子２００は積層型圧電素子１００の積層方向の両端のうちの一つの面１００ａに接着剤を用いて接着（接合）されている（例えば、特許文献１を参照。）。積層型圧電素子１００の積層方向の両端の他の一つの面は、例えば、基台３００に固定されている。積層型圧電素子１００の積層方向の両端の前記他の一つ（被駆動子２００が接着されない端部）は自由端であってもよい。【０００３】
なお、本明細書、請求の範囲及び図面（以下、「本明細書等」と称呼する。）において、「圧電」は、「圧電」及び「電歪」を含む概念を表す語として使用される。従って、例えば、圧電素子は、「圧電効果を有する素子（圧電素子）及び電歪効果を有する素子（電歪素子）」の両者を含む。【０００４】
ところで、積層型圧電素子１００は、図１３に示したように、複数の圧電層（圧電材料からなる層）１０１と、複数の内部電極層１０２，１０３と、一対の端部圧電層１０４と、を備える。複数の内部電極層１０２は互いに電気的に接続されている。複数の内部電極層１０３は互いに電気的に接続されている。複数の内部電極層１０２のうちの一つは、複数の圧電層１０１のうちの一つを挟んで、複数の内部電極層１０３のうちの一つと対向している。【０００５】
即ち、圧電素子１００は、複数の圧電層１０１のそれぞれと複数の内部電極層（１０２，１０３）のそれぞれとが交互に積層されたセラミック積層体である。複数の圧電層１０１のそれぞれは、複数の内部電極層のうちの互いに対向する一対の内部電極層１０２，１０３の間に挟まれている。内部電極層１０２，１０３の間に挟まれた圧電層１０１には、内部電極層１０２，１０３を通して「変化する電圧」が印加され、その結果、「変化する電界」が加えられる。これにより圧電層１０１は積層方向に伸縮する。従って、積層された圧電層１０１のうちの「内部電極層１０２，１０３の間に挟まれている部分」は「活性部ＫＳ」を構成している（図１４を参照。）。【０００６】
一方、内部電極層１０２と内部電極層１０３とが圧電層１０１を介して対向していない部分（積層方向から見た場合において内部電極層１０２と内部電極層１０３とが重なっていない部分であって圧電素子１００の側面に近い部分）には電界が加えられ得ない。従って、その部分の圧電層１０１は伸縮せず、図１４に示したように「側面不活性部ＳＦ」を構成している。【０００７】
更に、一対の端部圧電層１０４は、活性部ＫＳ及び側面不活性部ＳＦからなる積層体の両端にそれぞれ配設（積層）されている。一対の端部圧電層１０４のそれぞれは、内部電極層１０２，１０３により挟まれていない。従って、端部圧電層１０４には電界が加えられ得ない。この結果、一対の端部圧電層１０４は伸縮せず、図１４に示したように「端面不活性部ＴＦ」を構成している。なお、端部圧電層（端面不活性部ＴＦ）１０４は、活性部ＫＳ及び側面不活性部ＳＦからなる積層体の一方の端部にのみ配設（積層）されることもある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００２−１１９０７４号公報
【発明の概要】
【０００９】
ところで、圧電素子１００を製造するためには、分極処理を実施しなければならない。この分極処理の際、活性部ＫＳには電圧（従って、電界）が印加されるので、活性部ＫＳは逆圧電効果によって大きく伸長する。これに対し、側面不活性部ＳＦには電界が加えられないので、側面不活性部ＳＦは伸長しない。従って、側面不活性部ＳＦに引張応力が発生する。この結果、側面不活性部ＳＦに微小クラックが発生する。この微小クラックは、圧電素子１００に曲げ応力を加えた際、圧電素子１００の破断の起点（即ち、破壊開始点）となる。
【００１０】
この側面不活性部ＳＦの微小クラックに起因する素子破断は、側面不活性部ＳＦの幅（厚さ）Ｗ２が小さいほど（即ち、側面不活性部ＳＦが薄いほど）生じ易くなる。即ち、側面不活性部ＳＦの幅Ｗ２が小さいほど、圧電素子１００の曲げ強度が小さくなる。換言すると、側面不活性部ＳＦの幅Ｗ２を大きくするほど、圧電素子１００の曲げ強度を大きくすることができる。ところが、側面不活性部ＳＦの幅Ｗ２を大きくすると活性部ＫＳの幅Ｗ１が小さくなる。その結果、積層型圧電素子１００が発揮し得る変位量が小さくなってしまうという問題が新たに生じる。
【００１１】
更に、積層型圧電素子１００は、通常、その製造コストを抑えるために、大きな面積のグリーンシートを積層して積層圧電体を作成し、その積層圧電体を切断することにより製造されている。このような製造方法を用いると、製造時のバラツキにより、側面不活性部ＳＦの幅Ｗ２に個体差が生じる。従って、側面不活性部ＳＦの幅Ｗ２が小さく、そのために曲げ強度の低い圧電素子１００が「ある頻度」にて発生してしまう。
【００１２】
このような「曲げ応力によって発生するクラック」は、側面不活性部ＳＦ内の空孔（ポア、気孔）を伝って伸展する性質がある。以上のことから、従来の圧電素子１００は、圧電層１０１の内部に形成される空孔を少なくすることにより、側面不活性部ＳＦに含まれる空孔を少なくしている。即ち、圧電層１０１の空孔率を小さくしている。この結果、曲げ強度の大きい積層型圧電素子１００が得られる。この場合、端部圧電層１０４は、圧電層１０１と同じ材料から形成される。従って、端部圧電層１０４の空孔率は圧電層１０１の空孔率と同様に小さい。
【００１３】
しかしながら、このように空孔率を低下させた圧電素子１００を、図１２に示した圧電素子使用装置に適用すると、後述する理由により、圧電素子使用装置の「衝撃等に対する強度（即ち、圧電素子使用装置全体の曲げ強度）」を十分に高くすることができないという問題がある。衝撃等に対する強度とは、例えば、圧電素子使用装置を落下させたときに圧電素子使用装置が破損しないための強度である。
【００１４】
圧電素子使用装置の衝撃等に対する強度（曲げ強度）を十分に大きくできない理由は次のように考えられる。即ち、端面不活性部ＴＦを構成する圧電層１０４は、活性部ＫＳ及び側面不活性部ＳＦを構成する圧電層１０１と同様に緻密な圧電層であり、その空孔率が小さい。従って、被駆動子２００が接着される端面１００ａの凹凸は極めて少ない。その結果、被駆動子２００を端面１００ａに接着する接着剤のアンカー効果が十分に発揮されないので、衝撃が圧電素子使用装置に加わると被駆動子が脱落する。なお、接着剤のアンカー効果とは、接着剤が接着面の微細な凹凸に浸入して硬化することにより、接着力が高まる効果のことを言う。アンカー効果は、投錨効果、ファスナー効果とも称呼される。
【００１５】
従って、本発明の目的の一つは、活性部と不活性部（端面不活性部）とを有する積層型圧電素子、及び、不活性部の露呈面に接着剤により接合される被駆動子、を備える圧電素子使用装置であって、「衝撃等に対する強度（曲げ強度）」が高い装置を提供することにある。
【００１６】
本発明の圧電素子使用装置（以下、「本発明装置」とも称呼する。）は、積層型圧電素子及び被駆動子、を備える。
【００１７】
前記積層型圧電素子は、複数の圧電層と複数の内部電極層とを備え、前記複数の圧電層のそれぞれと前記複数の内部電極層のそれぞれとが「圧電層の層面に直交する積層方向において」交互に積層された積層体（セラミック積層体）である。前記積層型圧電素子は、前記複数の圧電層のそれぞれが前記複数の内部電極層のうちの互いに対向する一対の内部電極層の間に挟まれた部分からなる活性部と、前記活性部の前記積層方向の少なくとも一方の端部に配設され且つ前記内部電極層に挟まれていない単一又は複数の圧電層からなる不活性部と、を有する。
【００１８】
前記被駆動子は、前記不活性部の露呈面（即ち、前記不活性部の前記積層方向における端部）に接着剤により接合（接着）される。
【００１９】
更に、本発明装置は、前記不活性部の露呈面のうちの「少なくとも前記被駆動子が接合される部分である接合面（接着面）」から「所定の厚み範囲」内に存在する前記不活性部の部分の空孔率（不活性部空孔率）が、前記活性部を構成する圧電層の空孔率（活性部空孔率）よりも大きいことを特徴とする。
【００２０】
この場合、不活性部が単一の圧電層から形成されていれば、その単一の圧電層の「全体又は前記接合面の直下方向に存在する部分」の空孔率が「活性部を構成する圧電層」の空孔率」よりも大きくなるように、不活性部が形成されてもよい。一方、不活性部が複数の圧電層の積層体から形成されていれば、それらの複数の圧電層のうち少なくとも前記接合面を構成することになる圧電層の「全体又は前記接合面の直下方向に存在する部分」の空孔率が、活性部を構成する圧電層の空孔率よりも大きくなるように、不活性部が形成されてもよい。
【００２１】
これによれば、接合面から所定の厚み範囲内に存在する部分の不活性部の圧電層の空孔率が、活性部を構成する圧電層の空孔率よりも大きいから、その接合面に多数の空孔が開気孔として現れる。即ち、接合面に凹凸が多数形成される。従って、接着剤のアンカー効果が発揮されるので、被駆動子が圧電素子に対して強固に接着される。加えて、活性部を構成する圧電層の空孔率を小さくすることができるので、前述した側面不活性部の空孔率も小さくすることができる。この結果、分極処理の際に側面不活性部に微小クラックが発生し難い。よって、圧電素子自体の「曲げ応力に対する強度」を高く維持することができる。この結果、曲げ強度（衝撃等に対する強度を含む。）の高い圧電素子使用装置が提供される。
【００２２】
本発明装置において、前記不活性部の前記接合面は、平面研磨が施された面であり、且つ、前記不活性部内（前記接合面から所定の範囲内に存在する部分）に形成された空孔の一部が前記平面研磨により開気孔として露呈されている面であることが好ましい。
【００２３】
接合面が「圧電素子の端面が平面研磨されることにより形成される面」であると、「不活性部のうちの空孔率が大きい部分」に形成された多数の空孔が接合面に開気孔として現れる。従って、接着剤のアンカー効果をより一層効果的に発揮させることができる。その結果、圧電素子使用装置の曲げ強度を向上することができる。
【００２４】
なお、前記平面研磨は、例えば、平面研削やラッピング加工を含む。前記平面研磨に使用する砥石の砥粒は、加工効率の観点から「ダイヤモンド及びＣＢＮ（立方晶窒化珪素）等」であることが好ましい。仕上げに使用する砥石の粒度は＃４００〜＃１５００が好ましく、＃６００〜＃１２００がより好ましい。粒度が＃４００よりも小さくなる（粗くなる）と、圧電素子の加工面に対する負荷が大きくなるため、圧電素子の加工面にマイクロクラックが多数発生し、その結果、圧電素子の不活性層の強度が低下する。粒度が＃１５００よりも大きくなる（細かくなる）と砥石が目詰まりし易くなるため、砥石の切削力が低下する。その結果、圧電素子の加工面と砥石との間の摩擦力が大きくなるので、内部電極層と圧電層とが剥離し易くなる（層間剥離が発生し易くなる）。
【００２５】
更に、前記開気孔は、図４に示したように、
前記接合面ＳＰと直交する平面により前記圧電素子使用装置を切断した場合、「前記接合面ＳＰ内における前記開気孔の長さＤ１」が「前記接合面ＳＰと平行な面であって前記接合面ＳＰから離間した位置における面ＬＰ内における前記開気孔の長さＤ２の最大値Ｄ２ｍａｘ」よりも小さい形状を有することが好ましい。
【００２６】
同様に、前記開気孔は、図４に示したように、
前記接合面ＳＰ内における前記開気孔の面積Ｓ１が、前記接合面と平行な面であって前記接合面から離間した位置における面ＬＰ内における前記開気孔の面積Ｓ２の最大値Ｓ２ｍａｘよりも小さい形状を有することが好ましい。
【００２７】
これらによれば、接着剤が開気孔内部に浸入して硬化したとき、上記アンカー効果を更に確実に発揮させることができる。その結果、圧電素子使用装置の曲げ強度を向上することができる。
【００２８】
本発明による圧電素子使用装置の一例において、
前記活性部空孔率Ａは１％以下であり、前記不活性部空孔率Ｂは０．８％以上であり、更に、前記不活性部空孔率Ｂから前記活性部空孔率Ａを減じた値である空孔率差（Ｂ−Ａ）は０．２％以上且つ２％以下であることが好ましい。
【００２９】
実験によれば、活性部空孔率が１％よりも大きいと、曲げ強度が小さい積層型圧電素子の発生頻度が高くなる。り、不活性部空孔率が０．８％よりも小さいと、接合面に現れる開気孔の数が少なくなるので、アンカー効果が小さくなり、その結果、接着剤による被駆動子の接合強度が低下する。
【００３０】
更に、空孔率差（Ｂ−Ａ）が０．２％よりも小さい場合、積層型圧電素子の空孔率が製造バラつきによってバラついたとき、空孔率差が実質的に０％となる場合が生じ、その結果、低い曲げ強度の圧電素子が発生する頻度が高くなる。一方、空孔率差（Ｂ−Ａ）が２％よりも大きいと、不活性部空孔率が過大になる。このため、不活性部内の空孔を介してクラックが伝達し易くなるので、積層型圧電素子と被駆動子との接合面において破断が発生する前に、不活性部が破断する可能性が高くなる。
【００３１】
従って、活性部空孔率Ａ及び不活性部空孔率Ｂを上述のように制御することによって、製造バラつきによる空孔率の変化が、圧電素子の曲げ強度に与える影響を小さくすることができ、圧電素子使用装置の耐衝撃性を高めることができる。その結果、曲げ強度が十分に高く、よって、信頼性の高い圧電素子使用装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】図１は、本発明の実施形態に係る圧電素子使用装置の概略斜視図である。
【図２】図２の（Ａ）は図１に示した積層型圧電素子の左側面図、図２の（Ｂ）は図１に示した積層型圧電素子の正面図、図２の（Ｃ）は図１に示した積層型圧電素子の右側面図である。
【図３】図３は、図１に示した積層型圧電素子の正面図である。
【図４】図４は、図１に示した積層型圧電素子の上面近傍部位の部分断面図である。
【図５】図５は、図１に示した積層型圧電素子を製造する工程を説明するための図である。
【図６】図６は、「図１に示した圧電素子使用装置の実施例」及び「比較例」の破断荷重測定方法を説明するための図である。
【図７】図７は、「図１に示した圧電素子使用装置の実施例」及び「比較例」について、「活性層の空孔率と第１端面不活性層の空孔率との差と、最小破断荷重と、の関係」をプロットしたグラフである。
【図８】図８は、「図１に示した圧電素子使用装置の実施例」及び「比較例」について、破断部位の空孔率と破断荷重との関係をプロットしたグラフである。
【図９】図９は、図１に示した圧電素子使用装置の第１変形例の部分断面図である。
【図１０】図１０は、図１に示した圧電素子使用装置の第２変形例の部分断面図である。
【図１１】図１１は、図１に示した圧電素子使用装置の第３変形例の部分断面図である。
【図１２】図１２は、従来の圧電素子使用装置の正面図である。
【図１３】図１３は、図１２に示した積層型圧電素子の正面図である。
【図１４】図１４は、図１２に示した積層型圧電素子の正面図であり、活性部、側面不活性部及び端面不活性部を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態に係る「圧電素子使用装置（以下、「本装置」とも称呼する。）について説明する。
【００３４】
（構造）
図１に示したように、本装置１０は、積層型圧電素子（以下、「圧電素子」とも称呼する。）２０と、被駆動子３０と、を備える。被駆動子３０は、例えば、圧電素子２０の伸縮により摺動又は振動させられるロッド又は錘である。
【００３５】
図１及び図２に示したように、圧電素子２０は、複数の圧電層（圧電材料からなる層）２１、複数の第１内部電極層２２、複数の第２内部電極層２３、第１側面電極２４、第２側面電極２５、第１端部圧電層２６及び第２端部圧電層２７、を備える。
【００３６】
圧電素子２０は、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸にそれぞれ沿う辺を有する直方体形状を有する。本例において、圧電素子２０のＸ軸方向長さは１ｍｍであり、圧電素子２０のＹ軸方向長さは１ｍｍであり、圧電素子２０のＺ軸方向長さ（高さ）は２ｍｍである。
【００３７】
圧電層２１の主成分は圧電材料（例えば、チタン酸ジルコン酸鉛、ＰＺＴ）である。各圧電層２１の厚み（Ｚ軸方向長さ）は、例えば、０．０１９ｍｍである。圧電層２１は焼成体である。圧電層２１はＺ軸方向に沿う分極処理が施されている。圧電層２１の平面視における形状は、各辺の長さが１ｍｍの正方形である。即ち、圧電層２１の平面形状は、Ｘ軸及びＹ軸に沿う辺を有する正方形である。
【００３８】
第１内部電極層２２の材料は、導電性材料（例えば、Ａｇ−Ｐｄ合金及びＡｇ等）である。第１内部電極層２２の厚みは、例えば、０．００１ｍｍである。第１内部電極層２２のＹ軸方向の両端部は圧電層２１のＹ軸方向の両端部にまで延在している。第１内部電極層２２のＸ軸正方向端部は、圧電層２１のＸ軸正方向端部にまで延在している。第１内部電極層２２のＸ軸負方向端部は、圧電層２１のＸ軸負方向端部近傍にまで延在しているが、圧電層２１のＸ軸負方向端部には到達していない。
【００３９】
第２内部電極層２３の材料は、第１内部電極層２２と同じ導電性材料（例えば、Ａｇ−Ｐｄ合金及びＡｇ等）である。第２内部電極層２３の厚みは、第１内部電極層２２の厚みと同じである。第２内部電極層２３のＹ軸方向の両端部は圧電層２１のＹ軸方向の両端部にまで延在している。第２内部電極層２３のＸ軸負方向端部は、圧電層２１のＸ軸負方向端部にまで延在している。第２内部電極層２３のＸ軸正方向端部は、圧電層２１のＸ軸正方向端部近傍にまで延在しているが、圧電層２１のＸ軸正方向端部には到達していない。第２内部電極層２３は、圧電層２１を挟んで第１内部電極層２２と対向するように配置されている。即ち、第１内部電極層２２及び第２内部電極層２３は圧電層２１を挟んで互いに対向するように設けられている。
【００４０】
圧電素子２０において、第１内部電極層２２と第２内部電極層２３とに挟まれた圧電層２１は、Ｚ軸方向（積層方向、各層の層面に直交する方向）に積層されている。換言すると、第１内部電極層２２と第２内部電極層２３とは圧電層２１を挟んで交互に積層されている。圧電層２１の積層数は限定されないが、例えば、９０層である。但し、図１乃至図３等においては、図面を簡略化するために、１２層の圧電層２１が積層されている。
【００４１】
第１側面電極２４は、圧電素子２０の右側面（Ｘ軸正方向端部の面であってＹ−Ｚ平面に平行な面）に形成された電極層である。第１側面電極２４の材料は、第１内部電極層２２と同じ導電性材料（例えば、Ａｇ−Ｐｄ合金及びＡｇ等）である。第１側面電極２４の厚みは、０．０１ｍｍ程度である。第１側面電極２４の正面視における形状は、圧電素子２０の高さ方向（Ｚ軸方向）に長手方向を有する長方形である。第１側面電極２４は、複数の第１内部電極層２２の総てを電気的に接続している。第１側面電極２４には、外部の駆動回路と接続される図示しない導線がハンダ付けされる。
【００４２】
第２側面電極２５は、圧電素子２０の左側面（Ｘ軸負方向端部の面であってＹ−Ｚ平面に平行な面）に形成された電極層である。第２側面電極２５の材料は、第１内部電極層２２と同じ導電性材料（例えば、Ａｇ−Ｐｄ合金及びＡｇ等）である。第２側面電極２５の厚みは、０．０１ｍｍ程度である。第２側面電極２５の正面視における形状は、圧電素子２０の高さ方向（Ｚ軸方向）に長手方向を有する長方形である。第２側面電極２５は、複数の第２内部電極層２３の総てを電気的に接続している。第２側面電極２５には、外部の駆動回路と接続される図示しない導線がハンダ付けされる。
【００４３】
第１端部圧電層２６は、複数の圧電層２１のうち最も上部に積層された圧電層２１（及び最も上部に位置する第１内部電極層２２）の上部に積層されている。第１端部圧電層２６は上端部圧電層２６とも称呼される。第１端部圧電層２６は単一の圧電層からなっている。但し、第１端部圧電層２６は複数の圧電層が積層されることにより形成されてもよい（図１０を参照。）。第１端部圧電層２６の主成分は圧電層２１の主成分と同じである。第１端部圧電層２６は焼成体である。後に詳述するように、第１端部圧電層２６の空孔率（平均空孔率）は圧電層２１の空孔率（空孔率）よりも大きい。空孔率とは、圧電層の単位体積に対する空孔の体積の比である。本例においては、対象とする部位の断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて倍率×１，５００〜×５，０００にて観察し、観察した画像中の全圧電層２１の面積と、そこに含まれる全空孔の面積とを画像処理ソフトを用いて算出し、全圧電層２１の面積に対する全空孔面積の比を空孔率とした。第１端部圧電層２６の上面は露呈されている。即ち、第１端部圧電層２６の上面２０ａは、圧電素子２０の積層方向の両端部の一つであり、圧電素子２０の露呈面２０ａを形成している。
【００４４】
より詳細に述べると、第１端部圧電層２６の上面２０ａは、「第１端部圧電層２６、複数の圧電層２１及び第２端部圧電層２７」へと変化する層を含む積層体（焼成前の圧電層を含む積層体）が焼成されることにより得られた焼成体の上面を平面研磨することにより得られた面である。第１端部圧電層２６の厚みは、例えば、前記平面研磨前において０．１３３ｍｍであり、前記平面研磨後において０．１ｍｍである。
【００４５】
なお、この平面研磨は、例えば、平面研削やラッピング加工を含む。前記平面研磨に使用する砥石の砥粒は、加工効率の観点から「ダイヤモンド及びＣＢＮ（立方晶窒化珪素）等」であることが好ましい。仕上げに使用する砥石の粒度は＃４００〜＃１５００が好ましく、＃６００〜＃１２００がより好ましい。粒度が＃４００よりも小さくなる（粗くなる）と、圧電素子２０の加工面（上面２０ａ）に対する負荷が大きくなるため、圧電素子２０の加工面にマイクロクラックが多数発生し、その結果、第１端部圧電層２６の強度が低下する。粒度が＃１５００よりも大きくなる（細かくなる）と、砥石が目詰まりし易くなるために、砥石の切削力が低下する。その結果、圧電素子の加工面（上面２０ａ）と砥石との間の摩擦力が大きくなるので、平面研磨を実施している際に内部電極層（第１，第２内部電極層２２，２３）と圧電層（圧電層２１、第１及び第２端部圧電層２６，２７）とが剥離し易くなる（層間剥離が発生し易くなる）。
【００４６】
この平面研磨により、第１端部圧電層２６の内部に存在する多数の空孔（ポア、気孔）が、接合面２０ｓを含む上面２０ａに「開気孔」として出現する。開気孔とは、上面が外部に開放された空孔のことである。上述したように、第１端部圧電層２６の空孔率は圧電層２１の空孔率よりも大きいので、接合面２０ｓに現れる開気孔の面密度は大きくなる。
【００４７】
図４に示したように、平面研磨により接合面２０ｓ（「接合面ＳＰ」とも表記する。）に現れた開気孔は次のような形状を有する。
（１）接合面ＳＰ（Ｘ−Ｙ平面）と直交する平面（Ｙ−Ｚ平面）により圧電素子使用装置１０（即ち、第１端部圧電層２６）を切断した場合、「接合面ＳＰ内における開気孔の長さＤ１」は「接合面ＳＰと平行な面であって接合面ＳＰから離間した位置における面内（面ＬＰ内）におけるその開気孔の長さＤ２の最大値Ｄ２ｍａｘ」よりも小さい。
或いは、
（２）接合面ＳＰ内における開気孔の面積Ｓ１は、接合面と平行な面であって接合面から離間した位置における面ＬＰ内におけるその開気孔の面積Ｓ２の最大値Ｓ２ｍａｘよりも小さい。
【００４８】
第２端部圧電層２７は、複数の圧電層２１のうち最も下部に位置する圧電層２１（及び最も下部に位置する第１内部電極層２２）の下部に積層されている。第２端部圧電層２７は、下端部圧電層２７とも称呼される。第２端部圧電層２７は、単一の圧電層からなっている。但し、第２端部圧電層２７は複数の圧電層が積層されることにより形成されてもよい。第２端部圧電層２７の主成分は圧電層２１の主成分と同じである。第２端部圧電層２７は焼成体である。第２端部圧電層２７の空孔率は圧電層２１の空孔率よりも大きい。第２端部圧電層２７の厚みは、例えば、０．１ｍｍである。なお、第２端部圧電層２７は設けられなくてもよい。更に、第２端部圧電層２７の空孔率は圧電層２１の空孔率と同じであってもよい。第２端部圧電層２７は焼成体である。
【００４９】
第２端部圧電層２７の下面２０ｂは露呈されている。即ち、第２端部圧電層２７の下面２０ｂは、圧電素子２０の積層方向の両端部の他の一つであり、圧電素子２０の露呈面２０ｂを形成している。露呈面２０ｂは、露呈面２０ａと同様に平面研磨がなされた面であってもよく、平面研磨がなされていない面であってもよい。
【００５０】
なお、圧電素子２０の正面（Ｙ軸負方向端部の面であってＸ−Ｚ平面に平行な面）及び裏面（Ｙ軸正方向端部の面であってＸ−Ｚ平面に平行な面）は、図示しない保護膜により被覆されている。この保護膜は、例えば、エポキシ樹脂からなる。
【００５１】
以上のように構成される圧電素子２０は、図３に示したように、活性部ＫＳ、一対の側面不活性部ＳＦ、第１端面不活性部ＴＦ１及び第２端面不活性部ＴＦ２を有している。
【００５２】
活性部ＫＳは、積層された複数の圧電層２１のうちの、互いに隣接して対向する「第１内部電極層２２及び第２内部電極層２３」に挟まれた部分である。即ち、活性部ＫＳは、第１内部電極層２２と第２内部電極層２３との間に「変化する電圧（電位差）」が付与されることにより変化する電界が付与され、それにより変位する部分（特に、Ｚ軸（高さ）方向に伸縮する部分）である。
【００５３】
側面不活性部ＳＦは、積層された複数の圧電層２１のうちの、互いに隣接して対向する「第１内部電極層２２及び第２内部電極層２３」に挟まれていない部分である。即ち、側面不活性部ＳＦは、積層方向（Ｚ軸方向）に沿って圧電素子２０を見た場合において、互いに隣接して対向する「第１内部電極層２２及び第２内部電極層２３」が重なっていない部分である。この側面不活性部ＳＦ内の圧電層２１は、第１内部電極層２２と第２内部電極層２３との間に「変化する電圧（電位差）」が付与された場合において、変化する電界が加えられない部分であり、従って、伸縮しない部分である。
【００５４】
第１端面不活性部ＴＦ１は、互いに隣接して対向する「第１内部電極層２２及び第２内部電極層２３」に挟まれていない第１端部圧電層２６、により構成されている。従って、第１端面不活性部ＴＦ１は、第１内部電極層２２と第２内部電極層２３との間に「変化する電圧（電位差）」が付与された場合において、変化する電界が加えられない部分であり、従って、伸縮しない部分である。
【００５５】
第２端面不活性部ＴＦ２は、互いに隣接して対向する「第１内部電極層２２及び第２内部電極層２３」に挟まれていない第２端部圧電層２７、により構成されている。従って、第２端面不活性部ＴＦ２は、第１内部電極層２２と第２内部電極層２３との間に「変化する電圧（電位差）」が付与された場合において、変化する電界が加えられない部分であり、従って、伸縮しない部分である。
【００５６】
上述したように、第１端部圧電層２６及び第２端部圧電層２７（少なくとも、第１端部圧電層２６）の空孔率は、圧電層２１の空孔率よりも大きくなっている。換言すると、第１端面不活性部ＴＦ１（及び、第２端面不活性部ＴＦ２）の空孔率は、活性部ＫＳ（及び、側面不活性部ＳＦ）の空孔率よりも大きい。これにより、後述するように、被駆動子３０の圧電素子２０への接着強度が高められ、結果として、圧電素子使用装置１０の全体の曲げ強度（耐衝撃性）が高められる。
【００５７】
被駆動子３０は円柱形状を有している。従って、被駆動子３０の下面は平坦面である。被駆動子３０は、その下面が第１端部圧電層２６の上面（露呈面）２０ａの中央部に接着剤Ｓにより接着されることにより、圧電素子２０に接合される。被駆動子３０の形状は、第１端部圧電層２６の上面（露呈面）２０ａと接着される面（即ち、被駆動子３０の下面）が平坦である限り、円柱形状以外の形状であってもよい。以下、第１端部圧電層２６の上面（露呈面）２０ａのうちの被駆動子３０が接合される部分を、便宜上「接合面２０ｓ」と称呼する（図２及び図３における太い実線を参照。）。即ち、接合面２０ｓは、上面２０ａのうちの「被駆動子３０の底面と対向する領域内にある面」を意味する。よって、「被駆動子３０の下面と露呈面２０ａとは接合面２０ｓにおいて接合されている。」と表現することもできる。
【００５８】
被駆動子３０は、例えば、「カーボン、重金属、重金属の炭化物、重金属の硼化物及び重金属の窒化物」のうちの何れか一つを主成分とする材料からなる。この場合の重金属（重金属元素）としては、タングステン及びタンタル等が特に好ましく、タングステンカーバイト（ＷＣ）、硼化タングステン（ＷＢ）及び窒化タンタル（ＴａＮ）等が好適に用いられる。
【００５９】
接着剤Ｓには、「ＪＩＳ  Ｋ６８５０」に準拠した方法に基いて測定された「引っ張りせん断強さ」が１５Ｎ／ｍｍ２以上のものが使用されることが好ましい。接着剤Ｓの硬化前の粘度は５０〜２００Ｐａ・ｓであることが好ましい。例えば、接着剤Ｓは、エポキシ系接着剤が好適である。
【００６０】
（製造方法）
次に、上記圧電素子使用装置１０の製造方法について、簡単に説明する。圧電素子使用装置１０は周知の方法により製造される。圧電素子使用装置１０の圧電素子２０は、図５に示したように、複数個（例えば、４５×４５個）の圧電素子２０を含む焼成体が製造された後、その焼成体が平面研磨され、更に、その焼成体が切断されることにより、製造される。
【００６１】
１．第１工程（圧電テープ成形）
先ず、ドクターブレード法により、圧電層２１を形成することになる「複数の圧電テープ（セラミックグリーンシートである第１圧電テープ）」と、「第１端部圧電層及び第２端部圧電層」を形成することになる「複数の圧電テープ（セラミックグリーンシートである第２圧電テープ）」とが用意される。第１圧電テープ及び第２圧電テープは、同じ圧電材料を含む。第２圧電テープは、焼結後の密度が第１圧電テープよりも小さくなるように、テープ成形に使用する圧電粉末の粒径及び粒度分布と、成形されたテープ中の圧電粉末の粉末充填率（テープ単位体積当たりの圧電粉末の体積）とを調整した。
【００６２】
２．第２工程（内部電極層印刷）
次に、第１圧電テープのそれぞれに対して所定のパターンを有する導電体層をスクリーン印刷法により形成する。この導電体層は、焼成後において第１内部電極層２２及び第２内部電極層２３となる層である。
【００６３】
３．第３工程（接着層印刷）
各圧電テープに接着ペーストをスクリーン印刷により印刷する。
４．第４工程（積層）
一枚の第２圧電テープの上に複数枚の第１圧電テープを積層し、更に、一枚の第２圧電テープを積層することにより、積層体を得る。その積層体を加熱しながら、その積層体に圧力を加える。これにより、積層された圧電テープ同士を熱圧着する。
【００６４】
５．第５工程（脱脂処理）
得られた積層体を所定の温度（焼成温度以下の温度）にまで上昇させ、脱脂する。
６．第６工程（焼成、本焼成）
脱脂後の積層体の温度を焼成温度にまで上昇させ、積層体を焼成することにより焼成体を得る。
７．第７工程（平面研削・厚み調整）
焼成体の上面を平面研削する。この平面研削が上述した「第１端部圧電層２６の上面２０ａの平面研削」である。
８．第８工程（分割・切断）
平面研削後の焼成体をダイシングにより切断し、個々の圧電素子２０へと分割する。
９．第９工程（側面電極形成）
第１側面電極２４及び第２側面電極２５をスクリーン印刷により形成する。
１０．第１０工程（保護膜形成）
圧電素子２０の正面及び裏面に保護膜をスクリーン印刷により形成する。
【００６５】
１１．第１１工程（分極処理）
周知の手法に基いて、圧電層２１に電圧を印加し、圧電層２１の分極処理を実施する。
１２．第１２工程（検査）
得られた圧電素子２０の電気的特性及び外観を検査する。
【００６６】
その後、圧電素子２０の上面２０ａに接着剤Ｓを塗布し、被駆動子３０を接着する。以上により、圧電素子使用装置１０が製造される。
【００６７】
このように製造される「上述の構成を有する圧電素子使用装置１０」においては、接合面２０ｓ（ＳＰ）から所定の厚み範囲内に存在する部分の不活性部（第１端面不活性部ＴＦ１）の圧電層（本例において、第１端部圧電層２６全体）の空孔率が、活性部ＫＳを構成する圧電層２１の空孔率よりも大きいから、その接合面２０ｓに開気孔が多数現れる。即ち、接合面２０ｓに多数の凹凸が形成される。従って、接着剤Ｓのアンカー効果が発揮されるので、被駆動子３０が圧電素子２０に対して強固に接着される。その結果、圧電素子使用装置１０の曲げ強度（衝撃等に対する強度を含む。）を高くすることができる。
【００６８】
加えて、活性部ＫＳを構成する圧電層２１の空孔率を小さくすることができるので、側面不活性部ＳＦの空孔率も小さくすることができる。この結果、圧電素子２０の分極処理の際に側面不活性部ＳＦに微小クラックが発生し難い。よって、圧電素子２０の「曲げ応力に対する強度」を高く維持することができる。この結果、装置全体としての曲げ強度（耐衝撃性）に優れた圧電素子使用装置１０が提供される。
【００６９】
（実施例及び比較例）
上記本発明の実施形態に係る種々の圧電素子使用装置（実施例Ｊ１〜Ｊ６）、及び、本発明を用いていない従来の圧電素子使用装置（比較例Ｈ１〜Ｈ７）を作成し、これらの強度について測定を行った。
【００７０】
比較例Ｈ１〜Ｈ５は、圧電素子使用装置１０の第１端部圧電層２６及び第２端部圧電層２７を、圧電層２１と同様な圧電層（即ち、圧電層２１の空孔率と同じ空孔率を有する圧電層）に置換したものである。実際には、比較例Ｈ１〜Ｈ５に係る圧電素子使用装置は、「上記第１圧電テープと同じ材料成分からなり、上記第１圧電テープよりも厚みの大きい第３圧電テープ」を、上記第２圧電テープに代えて使用することにより製造された。
【００７１】
なお、第３圧電テープには、積層前にダミーの内部電極層となる層をその上面に印刷しておいた。そのダミーの内部電極層は、積層体の焼成後に実施される上記平面研削により除去された。このダミーの内部電極層となる層は、第３圧電テープの焼結助剤として機能するので、第３圧電テープの焼結体の焼結状態は第１圧電体テープの焼結体の焼結状態と同様となった。これにより、圧電素子使用装置１０の第１端部圧電層２６及び第２端部圧電層２７が「圧電層２１と同じ空孔率を有する圧電層」に置換された比較例が作成された。更に、実施例Ｊ１〜Ｊ６及び比較例Ｈ６〜Ｈ7の各圧電層の空孔率は、テープ成形に使用した圧電粉末の粒径及び粒度分布と、成形されたテープ中の圧電粉末の粉末充填率（テープ単位体積当たりの圧電粉末の体積）とを調整することによって制御された。
【００７２】
実施例Ｊ１〜Ｊ６のそれぞれ、及び、比較例Ｈ１〜Ｈ７のそれぞれは、１０個ずつ準備された。そして、図６に示したように、準備された実施例及び比較例の各サンプルＳａの圧電素子の下端部近傍部をクランプ装置ＣＬにより保持し、被駆動子３０の先端部に荷重Ｆを加え、その荷重Ｆを増大させていったときの破断部位及び破断発生時の荷重（破断荷重）Ｆの大きさを調べた。結果を、表１に示す
【００７３】
【表１】
2011122416.tif 000003
【００７４】
表１において、接着剤ＥＰは、上述したビスフェノール型エポキシ接着剤を表す。不活性部は第１端面不活性部ＴＦ１を指す。表１に示した「不活性部又は接着剤破断」は、「不活性部の破断」又は「不活性部と被駆動子との間の接着層の破断」を意味する。接着剤の破断は、被駆動子が不活性部（圧電素子）から脱落することを指す。「不活性部又は接着剤破断」の破断荷重と、「活性部破断」の破断荷重と、の両方に数値が記入されている例は、実験に供した１０個のサンプルのうちのいくつかのサンプルにおいて「不活性部又は接着剤破断」が「活性部破断」よりも先に発生し、残りのサンプルにおいて「活性部破断」が「不活性部又は接着剤破断」よりも先に発生したことを意味する。
【００７５】
図７は、表１に示したデータをプロットしたグラフである。このグラフの縦軸は最小破断荷重であり、横軸は空孔率差である。空孔率差は、不活性部の空孔率Ｂ（第１端面不活性部ＴＦ１の空孔率）から活性部の空孔率Ａ（活性部ＫＳの空孔率）を減じた値（空孔率差＝Ｂ−Ａ）である。このグラフから、空孔率差を有する実施例（Ｊ１〜Ｊ６）は、空孔率差がない比較例（Ｈ１〜Ｈ５）と比較して、最小破断強度が高くなっていることが確認された。
【００７６】
なお、空孔率差を有する圧電素子使用装置であっても、活性部の空孔率が第１所定値（１％）よりも大きくとなると、活性部の強度が大きく低下するので、最小破断荷重は小さくなった（比較例Ｈ７を参照。）。更に、空孔率差を有する圧電素子使用装置であっても、不活性部の空孔率が第２所定値（０．８％）よりも小さくなると、最小破断荷重が小さくなった（比較例Ｈ６を参照。）。これは、接合面２０ｓに現れる開気孔の数が少なくなるので、接着剤Ｓのアンカー効果が小さくなり、その結果、接着剤Ｓによる被駆動子３０の接合強度が低下したためである。なお、上述したように、接着剤のアンカー効果とは、接着剤が接着面の微細な凹凸に浸入して硬化することにより、接着力が高まる効果のことを言う。
【００７７】
図８は、表１に示したデータをプロットした別のグラフである。このグラフの縦軸は破断荷重であり、横軸は「破断部位の空孔率」である。曲線Ｃ１は、活性部が「不活性部又は接着剤」よりも先に破断したときの破断荷重の外挿線である。曲線Ｃ２は、不活性部又は接着剤が「活性部」よりも先に破断したときの破断荷重の外挿線である。曲線Ｃ１及び曲線Ｃ２は、破断部位の空孔率が約０．８％であるときに交わっている。
【００７８】
このことから、空孔率差を付与しないで圧電素子使用装置の曲げ強度を最大にするには、活性部の空孔率及び不活性部の空孔率の両者を約０．８％に設定しなければならないと考えられる。しかしながら、曲線Ｃ１から理解されるように、活性部の破断荷重は、活性部の空孔率が０．８％よりも小さいとき、活性部の空孔率が０．８％であるときよりも大きくなる。更に、曲線Ｃ２から理解されるように、不活性部の破断荷重は、不活性部の空孔率が０．８％よりも大きいとき、不活性部の空孔率が０．８％であるときよりも大きくなる。従って、活性部及び不活性部の曲げ強度（即ち、圧電素子使用装置全体の曲げ強度）は、圧電素子に前記空孔率差を付与することにより、圧電素子に前記空孔率を付与しない場合よりも高めることができる。
【００７９】
なお、空孔率差（Ｂ−Ａ）が０．２％よりも小さい場合、圧電素子の空孔率が製造バラつきによってバラついたとき、空孔率差が実質的に０％となる場合が生じ、その結果、低い曲げ強度の圧電素子が発生する頻度が高くなる。一方、空孔率差（Ｂ−Ａ）が２％よりも大きいと、不活性部空孔率が過大になる。このため、不活性部内の空孔を介してクラックが伝達し易くなるので、接着剤の破断が発生する前に、不活性部が破断する可能性が高くなる。
【００８０】
以上のことから、空孔率についての以下の総ての条件が満たされるように、圧電素子２０を製造することが望ましいと考えられる。
（１）活性部空孔率Ａは１％以下である。
（２）不活性部空孔率Ｂは０．８％以上である。
（３）空孔率差（＝Ｂ−Ａ）は、０．２％以上且つ２％以下である。
【００８１】
以上、説明したように、本発明の実施形態に係る圧電素子使用装置１０においては、不活性部ＴＦ１の圧電層の空孔率が、活性部ＫＳを構成する圧電層の空孔率よりも大きい。従って、接合面２０ｓに多数の空孔が現れるので、接着剤Ｓのアンカー効果が発揮され得る。更に、活性部ＫＳを緻密な圧電層により形成することができる。その結果、衝撃等に対する強度が高い圧電素子使用装置１０が提供される。更に、平面研磨により接合面２０ｓに現れた開気孔は、図４を参照して説明した形状を有する。よって、接着剤のアンカー効果をより一層強めることができる。
【００８２】
本発明は上記実施形態に限定されることはなく、本発明の範囲内において種々の変形例を採用することができる。例えば、図９に示したように、活性部ＫＳの空孔率よりも大きい空孔率を有する部分は、第１端面不活性部ＴＦ１のうちの「接合面２０ｓの直下（Ｚ軸負方向）に存在する部分Ｒ１（斜線部を参照。）」のみであってもよい。
【００８３】
更に、図１０に示したように、活性部ＫＳの空孔率よりも大きい空孔率を有する部分は、第１端面不活性部ＴＦ１のうちの「接合面２０ｓを含む上面２０ａから所定の厚み範囲内に存在する部分Ｒ２（斜線部を参照。）」のみであってもよい。即ち、例えば、第１端部圧電層２６が、複数の層（図１０における層２６ａ、２６ｂ及び２６ｃ）からなる場合、上面２０ｓから所定数の層（図１０に示した例における圧電層２６ａ及び２６ｂの２層）までの空孔率が活性部ＫＳの空孔率よりも大きく設定されていてもよい。
【００８４】
加えて、図１１に示したように、活性部ＫＳの空孔率よりも大きい空孔率を有する部分は、第１端面不活性部ＴＦ１のうちの「接合面２０ｓの直下であって、接合面２０ｓから所定の厚み範囲内に存在する部分Ｒ３（斜線部を参照。）」のみであってもよい。
更に、内部電極層２２，２３の形状は、上述した形状以外の形状であってもよい。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【国際調査報告】
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